热毛细对流自由表面特征

　　由于表面温度的不均匀性引起表面张力的不均匀驱动了热毛细对流的产生.热毛细对流是许多领域内重要的流体对流现象, 例如晶体生长和薄膜科学等. 这些物理现象对许多物理过程是重要的影响因素, 仔细研究这些对流现象对控制材料生长、得到新兴材料具有重要的指导意义.

　　由于质量守恒的作用, 毛细对流引起的液体表面流动, 在液体下层形成回流. 理论上认为, 在流体自由面处存在剪切流, 它很容易引起流体不稳定性而导致流体振荡的产生. 在热毛细对流发展过程中, 流体表面存在表面变形和表面波, 它是流体转捩过程的基本特征, 仔细研究该物理现象对理解流体对流的机理具有重要意义. 目前研究流体表面变形和表面波的许多工作集中在理论上[1~3],Sen 和 Davis 在理论上研究了有温度差的液池系统, 他们认为由于液层冷端的压力大而导致了流体自由面冷端凸起, 而热端凹陷的结论, 与我们的实验结果和理论分析结果完全一致. 理论研究对流振荡机理时, 一种方法是认为在自由面不变形的情况下, 得到热流体波; 另一种方法是认为自由面变形的情况下得到表面波.目前人们已经广泛地研究了热流体波的特征机理, 讨论和分析了热流体波的不稳定性问题[4,5]. 然而, 通常情况下, 对流发生时, 液体自由表面变形总会存在,当对流从稳定流转向振荡流过程中, 可能出现表面波. Dabiri等人[8]测量了接近表面处的湍流引起的表面变形, 认为在表面变形内存在很强的能量, 当表面变形松弛 时, 能量被释放到流体内, 因而影响了接近表面处的湍流. 近年, 采用光学测试方法对半浮区液桥表面波问题的研究已有报道[6,7], 理论上对热毛细对流表面波的特征也有相关的分析[1,2].研究一个实际的热毛细对流系统时, 热传输是一个重要的问题, 热传输和表面张力驱动的热毛细对流的耦合作用是基本的特征. 在地基实验中, 重力的影响又是不能忽略的, 流体的流动是热毛细对流和浮力对流的耦合, 我们通常将它定义为“浮力-热毛细对流”.在我们的研究工作中, 将光学干涉测量技术引入到流体力学的测量中, 建立和发展了一套测量流体表面微米量级变化的光学测量方法. 该光学诊断技术主要由改型的 Michelson 干涉仪组成, 配置了计算机图像采集和图像处理系统, 与传统的流体力学的测量方法相比, 通过计算机图像处理可直接得到定量的实验结果, 并具有更高的测量灵敏度; 此外, 通过对连续采集图像的分析, 可研究时间历程的液面变化. 实验证明该光学干涉仪是研究微米量级的流体表面变形和表面波的较为理想的实验设备. 本项研究工作表明对于带有自由面的浮力-热毛细对流, 表面变形和表面波是重要的物理现象, 它与表面张力、浮力、温度梯度等物理量有直接的关系. 本文将给出非常有趣的实验结果.